Các đặc trưng tính chất của hydrogel chứa NPK thu được từ acid acrylic và cacboxymethyl cellulose bằng kỹ thuật ghép bức xạ

Hydrogel ly giải chậm NPK được điều chế bằng kỹ thuật ghép bức xạ acid acrylic (AA) lên mạch của phân tử caboxymethyl cellulose (CMC) có chứa lượng NPK với tỉ lệ lần lượt là 14:13:13. Ảnh hưởng của liều xạ, suất liều tỉ lệ AA:CMC đến quá trình tạo gel cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy, liều xạ càng cao thì hàm lượng gel tạo thành càng lớn và độ trương nước giảm.

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEL CHỨA NPK THU ĐƯỢC TỪ ACID ACRYLIC VÀ CACBOXYMETHYL CELLULOSE BẰNG KỸ THUẬT GHÉP BỨC XẠ Hydrogel ly giải chậm NPK điều chế kỹ thuật ghép xạ acid acrylic (AA) lên mạch phân tử caboxymethyl cellulose (CMC) có chứa lượng NPK với tỉ lệ 14:13:13 Ảnh hưởng liều xạ, suất liều tỉ lệ AA:CMC đến trình tạo gel khảo sát Kết cho thấy, liều xạ cao hàm lượng gel tạo thành lớn độ trương nước giảm Hàm lượng gel tạo thành chiếu xạ hỗn hợp AA:CMC với tỉ lệ 10:1 (w/w) liều xạ 15 kGy, suất liều 1,82 kGy/h đạt 97,8% Các đặc trưng cấu trúc hydrogel chứa NPK xác định bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) Độ trương nước bão hòa thời gian ly giải NPK gel môi trường nước môi trường đất khảo sát Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu gel tạo có độ trương nước cao NPK giải phóng chậm khỏi hydrogel đưa vào môi trường nước đất (trồng) MỞ ĐẦU Trong năm qua, phân bón đóng góp quan trọng thành tích phát triển nơng nghiệp Việt Nam Hàng vụ, hàng năm, ngồi lượng dinh dưỡng lấy chất dinh dưỡng bị theo nhiều đường khác Trong đó, phần lớn bị rửa trơi nước gió Để giữ cho độ phì nhiêu đất ổn định ngồi việc áp dụng chế độ canh tác đúng, cần bổ sung chất dinh dưỡng, chất khoáng hàng năm cho đất theo nguyên tắc lấy bao nhiêu, ta bổ sung lại lượng tương đương Trong số thiếu hụt dinh dưỡng trồng loại đất nước ta, lớn quan trọng thiếu hụt đạm, lân kali (NP K) Đây chất dinh dưỡng mà trồng hấp thụ với lượng lớn chi phối 12 Số 60 - Tháng 09/2019 hướng sử dụng phân bón Tuy nhiên nước ta tình trạng người nơng dân lạm dụng phân bón, khơng tn thủ quy trình kỹ thuật gây cân sinh thái, ô nhiễm môi trường đất, nước vùng nông thôn Thống kê từ năm 1985 đến cho thấy, diện tích gieo trồng nước ta tăng khoảng 60% lượng phân bón tiêu thụ tăng tới 500% [1] Việt Nam sử dụng khoảng 10 triệu phân bón loại năm Trong đó, phân đạm urê chiếm khoảng 19%, lân 18%, kali 9%, NPK 37%, DAP 9%, SA 8% Ước tính dựa diện tích gieo trồng trồng liều lượng bón trung bình cho trồng khác lượng phân bón sử dụng cho lúa chiếm tới 68%, ngô 8,7%, công nghiệp 13,3%, rau 1,7%, trồng khác 7,6% Tính đơn vị diện tích lượng phân bón sử dụng THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN trung bình năm 1000 kg/ha đất sản xuất nơng nghiệp, 750 kg/ha diện tích gieo trồng [12] Theo kết điều tra FAO (2012), hiệu sử dụng phân bón Việt Nam đạt 4550% Kết điều tra sản xuất lúa gạo nông dân Việt Nam tiêu tốn phân bón thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) đơn vị diện tích cao giới Số tiền bị lãng phí mà nguyên nhân sử dụng phân bón khơng khơng cân đối hàng năm ước tính 1,5-1,7 tỷ USD [3] Gần đây, loại phân bón chậm tan “phân bón hệ mới” từ polymer tự nhiên quan tâm nghiên cứu cho kết khả quan [4-5] Báo cáo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số gia cơng đến đặc tính mức độ giải phóng NPK từ hydrogel ghép xạ THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết bị dụng cụ tinh khiết phân tích - Nước cất lần sử dụng cho thí nghiệm 2.3 Phương pháp nghiên cứu - Polyme hóa ghép xạ CMC acrylic acid Copolyme hóa ghép xạ tiến hành theo phương pháp Lik Anah cộng (2015) [6]: Cân xác 10 g CMC hòa tan vào 100 ml nước Thêm 100 g acrylic acid vào khuấy 30 phút Thêm (NH4)2HPO4; CO(NH2)2 KCl tương ứng với tỉ lệ N 14 %, P2O5 13 % K2O 13 % tiến hành chiếu xạ thiết bị chiếu xạ Gamma Chamber 5000 khoảng liều xạ 0-25 kGy, suất liều 1,82 kGy/h Hạt gel chứa NPK tạo thành sấy khô, nghiền nhỏ xác định khả ly giải NPK - Xác định đặc trưng tính chất vật liệu ghép + Xác định đặc trưng nhóm chức phổ hồng ngoại FI-IR: - Thiết bị chiếu xạ nguồn gamma CoMẫu dạng khô được đưa vào dụng cụ 60 GC - 5000 (BRIT, Ấn Độ), hoạt độ 4000 Ci, suất liều 1,82 kGy/giờ (trung tâm buồng chiếu) đo mẫu nhanh ATR PRO ONE của thiết bị FT- Thiết bị đo phổ hồng ngoại chuỗi Fourier IR 4600, Shimazu, Nhật Bản đo phổ IR Mẫu sau đo đạc xong được xử lý bằng phần mềm FT/IR-4600, Jasco, Nhật Bản SpectraManager để tính toán đợ hấp thụ của các - Thiết bị phân tích nhiệt vi sai DSC-60, nhóm chức phân tử Shimadzu, Nhật Bản + Xác định cấu trúc qua tính chất nhiệt: - Thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS A4−6800, Shimadzu, Nhật Bản Nhiệt độ nóng chảy phân hủy mẫu - Một số trang thiết bị dụng cụ khác dùng được xác định thiết bị phân tích nhiệt lượng cho thí nghiệm như: Bình tam giác, ống đong quét vi sai DSC-60, Shimadzu, Nhật Bản, loại, máy khấy từ, máy khuấy cơ, tủ sấy chân khoảng nhiệt độ đo từ 0-600 C, tớc đợ bơm khí nitơ 50 ml/ phút Khoảng gia nhiệt là 10 0C/ không, cân phân tích, bể ổn nhiệt… phút Mẫu sau đo đạc xong tiến hành xử lý sớ 2.2 Ngun vật liệu - hóa chất liệu bằng phần mềm TA 60 - Sodium Caboxymethyl Cellulose - Đánh giá tính chất hydrogel (CMC) Sigma với Mw~250.000 DS = 0,7; Tiến hành copolyme hóa ghép xạ 10 g Acrylic acid (AA), Ure, (NH4)2HPO4; KCl dạng CMC 100 g acid acrylic Lượng gel tạo thành Số 60 - Tháng 09/2019 13 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN (độ ẩm 60%) Theo định kỳ 10; 20; 30; 50; 70 90 ngày, Toàn mẫu đất lấy đem ngâm 500 ml nước cất h sau chiết 100 + Xác định hàm lượng gel tạo thành: ml dung dịch đem mẫu phân tích để xác định Ngâm mẫu gel 48 nước cất lượng NPK ly giải nhiệt độ phòng để hòa tan homopolyme, Dùng phần mềm Excel SPSS để xử lý monome chưa phản ứng, chất phụ gia dư Sau sấy khơ phần khơng tan đến khối lượng số liệu không đổi để xác định hàm lượng gel tạo thành KẾT QUẢ THẢO LUẬN xác định theo công thức: 3.1 Ảnh hưởng điều kiện chiếu xạ Wg(%) = (mt/mo) x 100 (1) tỉ lệ AA/CMC đến tính chất hydrogel Trong đó: - Ảnh hưởng liều xạ tới lượng gel - mt khối lượng khô gel sau tạo thành chiết Ảnh hưởng liều xạ tới lượng gel tạo - mo khối lượng khô gel trước thành trình bày hình Các kết chiết nghiên cứu cho thấy hàm lượng gel tạo thành + Xác định độ trương nước bão hòa: tăng theo liều chiếu xạ, liều xạ kGy hàm Chất khô cho trương nước 24 lượng gel tạo thành khoảng 78,5 % tăng dần để khảo sát ảnh hưởng liều xạ đến độ trương liều xạ lên hàm lượng gel tạo thành tăng dần nước bão hòa hạt gel tính theo cơng đạt khoảng 97,8 % liều xạ 15 kGy Tuy nhiên tăng dần liều xạ lên 20 25 kGy hàm lượng thức: gel tạo thành có tăng khơng đáng kể so S(g/g) = M2/M1 (2) với chiếu xạ liều xạ 15 kGy Kết Trong đó: phù hợp với báo cáo Sultana công [7] - M khối lượng gel ban đầu sấy khô hút chân khơng lưu giữ để dùng cho thí nghiệm sau nước - M2 khối lượng gel sau trương - Ảnh hưởng suất liều đến hàm lượng gel tạo thành - Xác định tốc độ giải phóng NPK từ hydrogel ghép xạ Hàm lượng NPK có hydrogel ghép xạ xác định phổ hấp thụ nguyên tử AAS A4−6800, Shimadzu, Nhật Bản Tốc độ giải phóng NPK từ hydrogel xác định cách ngâm g hydrogel (đã xác định hàm lượng NPK) vào 100 ml nước cất Theo định kỳ 5; 10; 15; 30 45 ngày, đem mẫu nước phân tích để Hình Ảnh hưởng liều xạ đến hàm xác định lượng NPK giải phóng vào mơi trường lượng gel tạo thành + Tương tự, 1g hydrogel (đã xác định Ảnh hưởng suất liều tới lượng gel hàm lượng NPK) trộn vào 200 g đất tạo thành liều xạ 15 kGy trình bày 14 Số 60 - Tháng 09/2019 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN hình Các kết nghiên cứu cho thấy suất liều cao hàm lượng gel tạo thành lớn Cụ thể, suất liều 1,82 kGy/h hàm lượng gel đạt 97,8% suất liều giảm 0,91 kGy/h hàm lượng gel tạo thành đạt 91,4% suất liều 0,45 kGy/h hàm lượng gel tạo thành đạt 83,6% Điều theo quan điểm là, chiếu xạ suất liều cao mức độ hình thành liên kết ngang chuỗi polyme nhiều hàm lượng gel tạo thành tăng so với chiếu xạ suất liều thấp Như liều xạ 15 kGy suất liều 1,8 kGy/h chọn làm thông số cố định cho nghiên cứu Hình Ảnh hưởng suất liều đến hàm lượng gel tạo thành - Ảnh hưởng tỉ lệ AA/CMC đến hàm lượng gel tạo thành hàm lượng gel tạo thành đạt 74,8% - Ảnh hưởng liều xạ đến độ trương nước bão hòa hydrogel Ảnh hưởng liều xạ đến độ trương nước bão hòa hạt gel với tỉ lệ AA/CMC 1/10 (w/w), suất liều 1,82 kGy/h trình bày hình Các kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng liều chiếu xạ đến độ trương nước bão hòa hydrogel khơng theo quy luật định Ở khoảng liều xạ từ 5-10 kGy độ trương nước gel tăng dần, đạt khoảng 246 lần liều xạ 10 kGy Tuy nhiên tăng liều xạ lên độ trương nước vật liệu lại giảm đạt 102 lần liều xạ 15 kGy, liều xạ tăng lên 25 kGy độ trương nước vật liệu khoảng 46 lần Hình Ảnh hưởng tỉ lệ AA/CMC đến hàm lượng gel tạo thành Ảnh hưởng tỉ lệ AA/CMC (w/w) đến hàm lượng gel tạo thành chiếu xạ 15 kGy, suất liều 1,82 kGy/h trình bày hình Kết khảo sát cho thấy tỉ lệ AA/CMC ảnh hưởng tới lượng gel tạo thành Khi tăng dần hàm lượng acid acrylic lên hàm lượng gel tạo thành có xu hướng giảm Điều giải thích, hàm lượng AA cao lượng homopolyme Hình Ảnh hưởng liều xạ đến độ tạo thành tăng lên lượng gel tạo thành trương nước hydrogel giảm Cụ thể với tỉ lệ AA/CMC 1/10 hàm Từ kết khảo sát ảnh hưởng lượng gel tạo thành đạt 97,8 % Khi tăng lượng AA lên tỉ lệ AA/CMC 3/10 hàm lượng gel liều xạ tới lượng gel tạo thành ảnh hưởng tạo thành đạt 83,5% tỉ lệ AA/CMC ½ liều xạ đến độ trương nước gel cho thấy, Số 60 - Tháng 09/2019 15 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN liều xạ 15 kGy hàm lượng gel tạo thành đạt giá trị gần bão hòa độ trương nước bão hòa gel đạt 102 (g/g) Kết mật độ khâu mạch tăng theo liều chiếu, làm cho cấu trúc hydrogel trở nên chặt chẽ với nhiều điểm khâu mạch khoảng trống để hấp thụ nước Điều phù hợp với nghiên cứu Dafader cộng [8] Vì vậy, hydrogel hình thành với độ trương vừa phải mức 102 lần kỳ vọng vừa giữ nước vừa có giải phóng NPK vào mơi trường cho thực vật hấp thụ có đỉnh thu nhiệt 115 0C tượng trưng cho nước phân tử CMC đỉnh tỏa nhiệt 322 0C tượng trưng cho phân hủy chuỗi polymer Ở giản đồ nhiệt hạt gel NPK, đỉnh thu nhiệt 114 0C tượng trưng cho nước phân tử, nhiên đỉnh tỏa nhiệt lại tăng lên 377 0C điều chứng tỏ acrylic acid ghép lên mạch phân tử CMC Độ polyme hóa tăng lên tạo mạng lưới khơng gian chiều, từ làm cho polymer có tính bền nhiệt 3.2 Đặc trưng cấu trúc vật liệu hydrogel - Phổ hồng ngoại FT-IR Phổ FT-IR CMC gel chứa NPK trình bày hình Trên phổ hồng ngoại CMC cho thấy đỉnh hấp phụ mạnh 3367 cm-1 đặc trưng dao động nhóm O-H, Hình Phổ hồng ngoại CMC gel đỉnh hấp thụ 2923 cm-1 dao động nhóm -CH2-, 1587 cm-1 đặc trưng dao động chứa NPK nhóm cabonyl C=O Trên phổ hồng ngoại gel chứa NPK cho thấy rằng, sau phản ứng dải hấp thụ 3664-2409 (đặc trưng dao động nhóm O-H) phân tử gel NPK giảm chồng lấp đỉnh hấp thụ 2923 (nhóm -CH2-) CMC Một đỉnh hấp thụ 1710 cm-1 hình thành cho thấy liên kết nhóm C=O phân tử CMC với nhóm -COOH acrylic acid Dao động C=O chuyển dịch 1561 cm-1 (đỉnh hấp Hình Giản đồ phân tích nhiệt vi sai thụ 1587 cm-1 phân tử CMC) cho thấy copolyme hình thành Các kết phân tích DSC CMC gel chứa NPK hồng ngoại FT-IR Monome acrylic 3.3 Tốc độ giải phóng NPK từ hydrogel acid ghép lên phân tử CMC tạo mạng chứa NPK lưới không gian chiều chứa NPK - Tính chất nhiệt hạt gel sau chiếu Khả ly giải NPK (14:13:13) ứng xạ với lượng N 14 %, P2O5 13 % K2O 13 Kết khảo sát tính chất nhiệt hạt % hydrogel môi trường nước môi gel NPK trình bày hình Các kết trường đất nhiệt độ phòng 25 0C trình bày cho thấy giản đồ nhiệt CMC cho thấy hình hình 16 Số 60 - Tháng 09/2019 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN tích nhiệt lượng quét vi sai - Đã đánh giá mức độ giải phóng NPK từ hydrogel môi trường nước đất Ở nhiệt độ 25 oC, tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng đa lượng sau 30 ngày ngâm nước lần lượt: N 43,9 %; P 14,9 % K 39,5 % Trong khi, tốc độ giải phóng chúng đất có độ ẩm 60 % lần lượt: N 12,1 %; P 8,5 Hình Mức độ ly giải dinh dưỡng % K 12,5 % nước theo thời gian Nguyễn Trọng Hoành Phong, Nguyễn Duy Hạng, Nguyễn Tấn Mân, Nguyễn Minh Hiệp, Lê Hữu Tư, Lê Xuân Cường, Lê Văn Toàn, Trần Thị Tâm, Phạm Bảo Ngọc, Vũ Ngọc Bích Đào Hình Mức độ ly giải dinh dưỡng đất theo thời gian Các kết khảo sát cho thấy lượng dinh dưỡng ly giải tăng theo thời gian Cụ thể, sau 30 ngày lượng NPK ly giải nước có hàm lượng 43,9; 14,9 39,5 % mức độ ly giải NPK đất sau 30 ngày 12,1; 8,5 12,5 % Có thể nhận thấy mức độ ly giải dinh dưỡng photpho chậm so với nitơ kali Điều giải thích có tương tác tĩnh điện nhóm phosphat nhóm caboxyl CMC làm cho tốc độ ly giải ngồi mơi trường nhóm phosphat chậm [9] KẾT LUẬN - Chế tạo thành công sản phẩm hydrogel chứa NPK kỹ thuật ghép xạ ứng dụng nông nghiệp Liều xạ 15 kGy cho mức độ hình thành gel cao độ trương đạt 102 (g/g) Sự hình thành hạt gel chứa NPK kỹ thuật copolymer hóa ghép xạ khẳng định phổ hồng ngoại biến đổi Furrier phân Trung tâm Công nghệ xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân _ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.moit.gov.vn [2] https://www.mard.gov.vn [3] FAO “Fertilizer FAO Statistical Databases & Data-sets Food and Agricultural Organization” 2012 http://faostat.fao.org/site/339/default.aspx [4] Qiao D., Liu H., Yu L., Bao X., Simon GP., Petinakis E., Chen L “Preparation and characterization of slow-release fertilizer encapsulated by starch-based superabsorbent polymer”, Carbohydrate Polymer, 147, 146-154, 2016 [5] T Jamnongkan, S Kaewpirom “Controlled-release fertilizer based on chitosan hydrogel: phosphorus release kinetics”, Sci J UBU, (1) 43-50, 2010 [6] Lik Anah; Nuri Astrini; Agus Haryono “The effect of temperature on the grafting of acrylic acid onto carboxymethyl cellulose”, Số 60 - Tháng 09/2019 17 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Special Issue: Innovation in Polymer Science and Technology 2013 (IPST2013), 353 (1), 178-184, 2015 [7] Sultana, S et al “Preparation of carboxymethyl cellulose/acrylamide copolymer hydrogel using gamma radiation and investigation of its swelling behavior”, J Bangladesh Chem Soc., 25(2), 132–138, 2012 [8] N.C Dafader, H.Z Sonia and S.M.N Alam “Synthesis of a superwater absorbent and studies of its properties”, Nuclear Science And Applications, 23 (1&2),15-19, 2014 [9] Ahmed M Elbarbary; Mohamed Mohamady “Controlled release fertilizers using superabsorbent hydrogel prepared by gamma radiation” Radiochimica Acta, 105(10), 865876, 2017 18 Số 60 - Tháng 09/2019 ... phẩm hydrogel chứa NPK kỹ thu t ghép xạ ứng dụng nông nghiệp Liều xạ 15 kGy cho mức độ hình thành gel cao độ trương đạt 102 (g/g) Sự hình thành hạt gel chứa NPK kỹ thu t copolymer hóa ghép xạ khẳng... Monome acrylic 3.3 Tốc độ giải phóng NPK từ hydrogel acid ghép lên phân tử CMC tạo mạng chứa NPK lưới khơng gian chiều chứa NPK - Tính chất nhiệt hạt gel sau chiếu Khả ly giải NPK (14:13:13) ứng xạ. .. giải phóng NPK từ hydrogel ghép xạ Hàm lượng NPK có hydrogel ghép xạ xác định phổ hấp thụ nguyên tử AAS A4−6800, Shimadzu, Nhật Bản Tốc độ giải phóng NPK từ hydrogel xác định cách ngâm g hydrogel